Bei der Beleuchtung mit LEDs kann ein Problem auftauchen, dass man von Glühlampen nicht kennt: Flimmern. Das tauchte bisher nur bei Leuchtstofflampen der frühen Generationen auf, oder bei Fehlern.
Die Glühlampe als thermischer Strahler hat eine Trägheit. Wird der Strom durch den Glühfaden unterbrochen, dann dauert es einen kurzen Moment, bis dieser abkühlt und kein Licht mehr aussendet. Ganz anders die LED. Als Quantenstrahler hört sie sofort auf Licht zu produzieren, wenn der Strom unterbrochen wird.
Darum werden LEDs auch als Sender in Infrarotfernsteuerungen, oder (in bestimmten Anwendungen) zur Datenübertragung über Glasfasern verwendet. Was für die Datenübertragung toll ist, nämlich eine schnelle Reaktion der LED, kann bei der Beleuchtung aber zum Ärgernis werden.
Das Ärgernis kann sogar so schlimm werden, dass man Kopfschmerzen davon bekommt. Bei der Beleuchtung von Arbeitsplätzen kann Flimmern sogar gefährlich werden, da drehende Teile unter Stroboskoplicht als deutlich langsamer, oder stehend erscheinen können.
Unser Stromnetz läuft mit 50 Hz Wechselstrom, das bedeutet, dass 100 mal pro Sekunde die Spannung am Netz Null ist. Eine Leuchte muss also Energie zwischenspeichern, um diesen Zeitraum zu überbrücken, oder sie liefert 100 mal pro Sekunde kein Licht, sie flimmert.
Dieses Zwischenspeichern passiert in den Netzteilen elektronischer Geräte auch, dazu werden Kondensatoren verwendet, die kosten aber Geld und brauchen Platz. Besonders bei den LED-Lampen, die als Ersatz für Glühlampen dienen, ist Platz ein Problem und der Preis ist auch kritisch.
Einer LED-Leuchte oder -Lampe sieht auch der Fachmann nicht unbedingt von aussen an, wie sie aufgebaut ist und ob sie flimmern wird. Ein grober Hinweis ist bei LED-Lampen die Größe der verbauten Elektronik. Je kleiner diese ist, desto wahrscheinlicher wird kein Kondensator darin sein und die Lampe wird flimmern.
Wenig oder gar kein Flimmern erzeugen Lampen und Leuchten, die mit Gleichspannung arbeiten. Rüstet man beispielsweise eine Niedervolt-Halogen-Beleuchtung auf LED um, dann sollte man den "Trafo" gegen ein echtes Netzteil mit Gleichspannungsausgang ersetzen.
Flimmern kann bei LEDs auch beim Dimmen auftreten, denn die am häufigsten verwendete Dimmmethode bei LEDs ist gewissermaßen absichtliches Flimmern.
Um die Lichtmenge aus einer LED zu regeln gibt es zwei Methoden: Man kann den Strom durch die LED regeln, oder ihn periodisch unterbrechen. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile.
Ändert man den Strom durch die LED, dann verschiebt sich auch die Farbe der LED etwas. Das kann bei nahe beieinander liegenden Lichtquellen zu störenden Effekten führen. Ausserdem ist die Änderung des Stroms meistens relativ aufwändig und weniger energieeffizient. Der klare Vorteil ist der ununterbrochene Lichtstrom, also null Flimmern.
Technisch sehr einfach zu realisieren und gleichzeitig hocheffizient ist die Pulsbreitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation - PWM). Dabei wird der Lichtstrom periodisch unterbrochen, das Verhältnis zwischen Hell- und Dunkelphase ist die resultierende Helligkeit. Das funktioniert, weil das menschliche Auge höhere Frequenzen kaum noch direkt wahr nimmt.
Diesen Effekt machen sich auch Film und Fernsehen zu Nutzen, denn auch hier sehen wir keine kontinuierliche Bewegung, sondern eine schnelle Abfolge von Einzelbildern. Hier hat man im Laufe der Zeit die Frequenz weiter nach oben getrieben, da ein störende Wahrnehmung des Flimmerns noch vorhanden war.
Als Faustregel kann man sagen, je höher die PWM-Frequenz, desto geringer das Problem mit dem Flimmern. Bei hohen PWM-Frequenzen steigt der Aufwand für die Elektronik, doch das führt hier zu weit. Auf jeden Fall kann die Frequenz nicht einfach in beliebige Höhen getrieben werden. (*)
Ab etwa 500 Hz sind meistens alle wahrnehmbaren Effekte einer Dimmung per PWM weg. Bei 100 Hz ist der Effekt aber bestenfalls als grausam zu bezeichnen.
Entsprechend ist die Dimmung von LEDs mit den klassischen Dimmern, die in der 230 V Leitung der Leuchte sitzen, eine ganz schlechte Idee. Es gibt wenige, teure und aufwändig konstruierte LED-Leuchten, die dies kompensieren. Alle anderen flimmern dann sehr intensiv mit 100 Hz, oder vertragen es gar nicht auf diese Art gedimmt zu werden.
Es gibt zwar so einige Produkte auf dem Markt, mit denen versucht wird LEDs über die 230 V Leitung zu dimmen, aber bei fast allen davon gilt: Finger weg.
Die LED wird sinnvoll auf der Gleichspannungsebene, also direkt an der LED, gedimmt. Dazu gibt es diverse Optionen der Steuerung, drahtlos, über Bussysteme oder auch über das Netzkabel mittels sogenannter Powerline-Modems, also Signalübertragung über das Stromkabel.
(*) Nicht beliebig hoch, aber in schwindelerregende Höhen treibt unser LED-Warrior04 die PWM Frequenz. Als einer der technologisch besten verfügbaren LED-Treiber verwendet der LED-Warrior04 eine Spread Spectrum PWM, die das PWM Signal über einen weiten Frequenzbereich verteilt. Die Verfahrensweise wird bei moderner Funkübertragung verwendet, um hohe Störsicherheit zu erlangen. Wir verwenden sie um extrem weit zu Dimmen, ohne zu flimmern. Die PWM des LED-Warrior04 reicht von 184 Hz bis 187500 Hz und variiert in diesem Bereich ständig nach einem Pseudo-Zufallsmuster.
Die Auswirkungen von Flimmern können unterschiedlich sein. Verschiedene Personen sind auch verschieden empfindlich gegen Flimmern.
Lichtquellen, bei denen direkt sichtbar ist, dass sie flimmern, sind grundsätzlich ungeeignet für Beleuchtung. Solche Produkte gibt es aber eigentlich nicht (mehr) auf dem Markt. Diese Situation tritt in der Regel nur auf, wenn man versucht LEDs mit einem klassischen Dimmer zu steuern.
Flimmern im Bereich von wenigen 100 Hz lässt sich relativ leicht erkennen. Bis mindestens 200 Hz sehen die meisten Leute eine Kette von Punkten, wenn sie die Augen beim Ansehen der Lichtquelle schnell bewegen. Den Effekt hat man auch mit den Bremslichtern an einigen Autos. Man sagt dazu "String of pearls"-Effekt, also Perlenketten-Effekt. Der Effekt entsteht da durch, dass verschiedene Stellen der Netzhaut dann jeweils das Einschalten der LED sehen.
Diese Art von Flimmern kann zu Kopfschmerzen führen, insbesondere, wenn man versucht manuelle Arbeiten auszuführen. Für die Konzentration ist solches Licht auf keinen Fall gut. Ganz extremes Flimmern soll sogar Anfälle bei Epileptikern auslösen können, das sind aber Ausnahmefälle. Auch mit Kameras verträgt sich Flimmern in diesen Frequenzbereichen ganz schlecht, as führt zu schwarzen Balken die durch das Bild laufen.
Ein anderer Trick Flimmern sichtbar zu machen, ist es eine Hand mit gespreizten Fingern vor der Lichtquelle hin und her zu bewegen. Erscheint die Bewegung ruckelig, dann hat man Flimmern mit wenigen 100 Hz.
Wichtig ist beim Beurteilen einer Lichtquelle immer, dass nicht zu viel Licht aus anderen Quellen stört. Sonst weiss man nachher nicht sicher, welche der Lichtquellen flimmert.
Ab etwa 500 Hz sind die Effekte für die meisten Menschen nicht mehr wahrnehmbar. Ob es in höheren Frequenzbereichen noch physiologische Auswirkungen gibt, da sind sich die Forscher momentan noch nicht einig, es laufen diverse Studien zu dem Thema.
Für eine gute Beurteilung des Flimmerns muss man natürlich unter kontrollierten Bedingungen eine Messung durchführen. Doch auch das ist nicht ohne Fallstricke, wie wir in diesem Artikel bei der Elektronikpraxis erklärt haben:
Einen ganz handlichen Sensor haben wir heute fast alle in der Tasche. Die Kamera im Smartphone reagiert meist viel empfindlicher auf Flimmern, als es unser Auge tut. Leider ist so eine Kamera kein Messgerät. Das Ergebnis, das man auf dem Bildschirm sieht, kann also nur einen groben Hinweis liefern. Grundsätzlich ist natürlich weniger Flimmern vorhanden, je geringer die Bildstörungen sind, die Kamera fängt aber wahrscheinlich auch noch Flimmern bei 1000 Hz ein.